[发明专利]一种半导体激光器侧泵模块

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，具体地说，本发明涉及一种半导体激光器侧泵模块。

背景技术

侧面泵浦是当前实现激光泵浦的主要模式之一。激光器侧面泵浦模块（简称侧泵模块）一般用于固体激光器。激光器侧面泵浦模块主要包括模块本体、泵浦源（如Bar条）和激光晶体棒。泵浦源和激光晶体棒均安装于模块本体内部，其中泵浦源用于提供所需要的泵浦光，激光晶体棒用于接收泵浦光并在泵浦光的激励下产生激光辐射。随着全固态激光器在国防、科研、工业以及医疗等领域的呈现出越来越广泛的应用前景，作为其中核心部件的半导体激光器侧泵模块也在向着结构紧凑、泵浦均匀和高效率方向发展。目前国内外市场上的侧泵模块通常采用半导体激光器水平阵列呈正三角形，正五边形、正七边形或者正九边形等分布进行等间距环绕泵浦激光晶体棒。而半导体激光侧泵模块为了满足其中的晶体棒对泵浦尺寸、功率密度等参数的要求，又会采用1×3，1×4，1×N等传统水平阵列形式。这样，沿着泵浦光慢轴方向，也就是沿着晶体棒轴向，多个Bar条呈一字排布，泵浦光束的尺寸基本与Bar条长度一致，慢轴方向上，半导体激光器Bar条光束在晶体表面相互叠加而使得泵浦光束很均匀，所以一般在实际应用中该方向上无需考虑泵浦光束整形问题。而在快轴方向上，也就是垂直于激光晶体棒轴向的方向上，通常需要对泵浦光束进行整形以使泵浦光束均匀并且被压缩控制在一定尺寸内。

图1a示出了一种现在市场上常见的半导体激光器侧泵模块的横向剖面（指垂直于晶体棒轴向的剖面）示意图，该半导体激光器侧泵模块主要包括半导体激光水平阵列Bar9、圆柱面透镜13、石英玻璃管8和激光晶体棒11。其中，多个（图1a中为三个）半导体激光水平阵列Bar9环绕着石英玻璃管8呈等间距排布。半导体激光水平阵列Bar9固定在具有通水孔的热沉上。激光晶体棒11置于石英玻璃管8中，石英玻璃管8可通入冷却水，并且石英玻璃管8的两端与所述热沉的通水孔的两端联通，从而形成水冷却腔12。一般来说，半导体激光水平阵列Bar9发射泵浦光快轴发散角最大可能达到70°左右（慢轴发散角10°左右），这种光在空间（尤其是快轴方向）发散太快，如不加光学整形镜，很难实现激光晶体棒11的侧面泵浦。因此，图1a中，每个半导体激光水平阵列Bar9的发光面设置一个圆柱面透镜13，用以对半导体激光水平阵列Bar9发出的泵浦光的快轴进行准直压缩。另外，该半导体激光器侧泵模块还具有底座1、水接头2等部件。

图1b示出了现有技术中的另一种具备快轴光束整形功能的激光侧泵模块的三维结构示意图，它主要包括半导体激光水平阵列Bar9、圆柱面透镜13、整形镜组14和激光晶体棒11。多个（图1b中为三个）激光水平阵列Bar9环绕着激光晶体棒11等间距排布，每个半导体激光水平阵列Bar9发射的泵浦光经过紧贴半导体激光水平阵列Bar9发光面固定的圆柱面透镜13沿快轴方向压缩后照射到整形镜组14，再通过整形镜组14的扩束和匀化照射到激光晶体棒11上，从而实现泵浦光在快轴方向上的整形。

上述现有技术中的方案虽然都能实现泵浦光在快轴方向上的整形，然而，经过实践应用发现它们存在以下几个缺陷：

1）装配复杂。通常侧泵模块中各Bar条排布时，纵向和横向都必须保持一致且等间距环绕激光晶体棒，与此对应，圆柱面透镜和整形镜也必须纵向和横向都保持一致且等间距环绕激光晶体棒，同时保证和对应的Bar条发光面对齐，否则，任何一个环节出现偏差，都会导致泵浦光不均匀，造成转换效率低。因此泵浦系统对机械固定部件的加工和装配要求严格，此外使用圆柱面透镜以及整形镜也增加了泵浦系统的体积，给后续的应用带来不便。

2）可靠性不足。一般来说，为了提高泵浦效率，激光器Bar条发光面与激光晶体棒的间距很短，在这段间距中再放置圆柱面透镜（或者放置圆柱面透镜和整形镜组），给结构封装带来很大困难，也一定程度上制约了整形效果和传输效率。系统长时间工作必然导致Bar条和整形器件排布的一致性下降，大大降低系统的可靠性。

3）效率低。Bar条所发射出的泵浦光多次经过圆柱面透镜（或者多次经过圆柱面透镜和整形镜组），必然因为表面反射、折射和材料吸收而损失掉部分能量，使得系统的整体效率下降。

4）成本高。采用圆柱面透镜（或者圆柱面透镜加整形镜组）进行光束压缩整形会增加侧泵模块的制作成本，特别是对于一些高能模块，通常会用到多个水平阵列，而一个水平阵列对应一个圆柱面透镜或者一整套圆柱面透镜和整形镜组。这样最终成本会显著提高。